Investigación

 

Electrical and structural characteristics of spray deposited (ZnO)_X-(CdO)_1-X thin films

 

G. Alarcón-Flores^a, B. Vásquez-Pérez^b, A. Peláez-Rodríguez^a, M. Villa-Garcia^a, S. Carmona-Téllez^a, J. A. Luna-Guzmán^a, C. Falcony^c, and M. Aguilar-Frutis^a

 

^a Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada del Instituto Politécnico Nacional, Legaria 694, Col. Irrigación, Del. Miguel Hidalgo, 11500, México D.F., México.

^b Universidad Autónoma Metropolitana-Azcapotzalco, Avenida San Pablo Xalpa 180, Reynosa Tamaulipas, Del. Azcapotzalco, 02200 México D.F., México.

^c Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Apartado Postal 14-740, México 07000, D.F., México.

 

Received 1 February 2013
Accepted 18 April 2013

 

Abstract

(ZnO)_X-(CdO)_1-X thin films were deposited on glass substrates at 300°C and 400°C by ultrasonic spray pyrolysis with compositions ranging from CdO to ZnO. The electrical properties were obtained by impedance spectroscopy and Hall Effect measurements. Scanning electron microscopy, energy dispersive spectroscopy, and X-ray diffraction, were used to study the structural characteristics of the films. Ellipsometry, in addition, was used to confirm the structural characteristics. The films as deposited resulted mainly polycrystalline and dense, depending on the substrate temperature and on their relative composition. All the films showed n-type conductivity and the films with intermediate compositions resulted in a mixture of both phases; CdO and ZnO. Hall Effect measurements showed that the highest conductivity of CdO was close to 1x10³ (Ω-cm)^-1, the highest value obtained for CdO, without doping. Impedance spectroscopy confirmed the Hall Effect results, showing that the highly conducting character of CdO influenced dramatically the conductivity of the (ZnO)_X-(CdO)_1-X films. In addition, depending on the substrate temperature and on the relative composition of the films, both, the bulk or grains, as well as the grain boundaries properties limit the conductivity in them.

Keywords: Impedance spectroscopy; transparent conducting oxides (tcos); spray pyrolysis.

 

Resumen

Películas delgadas de (ZnO)x(CdO)₁_x fueron depositadas sobre sustratos de vidrio a 300°C y 400°C por rocío pirolítico ultrasónico con composiciones entre CdO y ZnO. Las propiedades eléctricas fueron determinadas a través de medidas de espectroscopia de impedancia y Efecto Hall. Microscopía electrónica de barrido, espectroscopia por dispersión de energía y difracción de rayos X fueron utilizadas para determinar las características estructurales de las películas. Elipsometría fue empleada para confirmar las características estructurales. Las películas, tal y como son depositadas resultaron policristalinas y densas, dependiendo de la temperatura del sustrato y de la composición relativa de ellas. Todas las películas mostraron una conductividad de tipo n y las películas con concentraciones intermedias resultaron con una mezcla de ambas fases; CdO y ZnO. Las mediciones de Efecto Hall mostraron que la más alta conductividad de las películas de CdO fue cercano a 1 x 10³ (Ω-cm)^-1, valor más alto obtenido para CdO sin dopante. Las medidas de espectroscopia de impedancia confirmaron los resultados obtenidos por Efecto Hall, y mostraron además que el alto carácter conductor de las películas de CdO influye de manera importante en la conductividad de las películas de (ZnO)_X-(CdO)_1-X. Además, dependiendo de la temperatura del sustrato y de la composición relativa de las películas ambos, los granos (o el bulto), así como las fronteras de grano, limitan la conductividad en ellas.

Descriptores: Espectroscopia de impedancia; óxidos conductores transparentes (TCOs); rocío pirolítico.

 

PACS: 84.37.+q; 73.50-h; 68.55-a

 

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Acknowledgements

The authors would like to acknowledge the financial support from Conacyt-México project CB-2009/129227 and SIP-IPN projects 20101556, 20111101, 20121458 and Multidisci-plinary Project # 1558 (2013). The PIFI-IPN program is also acknowledged. The technical support from M. Guerrero, Alfonso Martinez, and Z. Rivera is also recognized.

 

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